计算机与虚拟仪器测试技术课件

科技的進步使測試對象日漸複雜，測試專案和測試範圍與日俱增，測試的參數越來越多，對測試速度和測量精度的要求也不斷提高，因而傳統的單機單參數測試已經不適應，迫切要求測量技術不斷改進與完善。如果說數字電子技術的發展使儀器形態進入了數位化儀器時代是測試儀器發展史上的第一次革命，微處理器的大量應用催生了智能儀器時代是第二次儀器革命，那麼通用電腦軟、硬體技術的飛速發展使儀器進入虛擬儀器時代，則被公認為是儀器領域正在進行的第三次革命。智能儀器、自動測試系統和虛擬儀器分別是儀器發展三個階段的成果標誌，想比於傳統電子儀器，具有自動化、智能化、可編程化等功能，是現代電腦測試系統的主流和趨勢。電腦與虛擬儀器測試技術7.1智能儀器7.1.1智能儀器概述

智能儀器(IntelligentInstrument)是通用儀器與微處理器相結合的新型儀器，因為能完成人的一部分智力勞動而得名，這類儀器儀錶中通常含有微處理器、單片電腦或體積很小的微型機，有時亦稱為內含微處理器的儀器或基於微型機的儀器，功能豐富又很小巧。

智能儀器有如下的基本特徵：（1）智能儀器可以借助於感測器和變送器，按設計要求採集電量和非電能量信號，由微處理器控制儀器的整個測量過程，有很高的自動化水準。（2）微處理器的引入使智能儀器的功能較傳統儀器有了極大的提高，許多原來用硬體電路難以解決或根本無法解決的問題，可以利用軟體獲得解決。（3）智能儀器可以進行自動校正、非線性補償、數字濾波等修正和克服由各種感測器、變換器、放大器等引進的誤差和干擾，提高儀器的精度和其他性能指標。7.1.1智能儀器概述

（4）智能儀器的各種介面如GPIB、RS232、LAN等能使智能儀器方便地與電腦和其他智能設備組成多功能自動測試系統。（５）智能儀器通常具有自測試和診斷的功能，能自行測試整個儀器的各種功能是否正常，自行診斷儀器內部是否存在故障並顯示故障部位，提高了儀器的可靠性，簡化和加快了儀器的維修工作。（６）智能儀器由於採用了微處理器，不僅可以減小儀器體積，還可以降低成本、提高儀器的可靠性。7.1.1智能儀器概述

7.1.2智能儀器的組成

智能儀器由硬體和軟體兩大部分組成，硬體部分包括微機系統、輸入通道、輸出通道、人——機對話通道及通信介面，其基本組成原理如圖7.1所示：

圖7.1智能儀器基本組成

智能儀器硬體主要由以上各部分組成，各硬體部分模組功能如下：（1）微機系統：由單片機或微處理器配以必要的外部器件構成最小的微機系統，智能儀器越複雜，需要配接的記憶體記憶體越大，同時需要較多的I/O介面，通常單片機擴展能力強，可以直接與外部記憶體和I/O介面電路相連，構成功能較強、規模較大的微機系統。（2）輸入通道：輸入通道是微機系統與採集對象相連的部分。輸入信號來自於感測器或變換裝置，採集的對象和感測器不同，信號表現形式也不一樣，有開關量信號、頻率量信號、模擬量信號等，如果不能滿足微機系統輸入的要求，還需要形式多樣的信號變換和調節電路，如放大器、濾波器、A/D轉換等。7.1.2智能儀器的組成

（3）輸出通道：根據輸出控制的不同要求，輸出通道電路是多種多樣的，如D/A轉換電路、放大隔離電路等，輸出信號有模擬量信號、開關量信號和頻率量信號等。（4）人－機對話通道：智能儀器中的人－機對話是用戶為了對智能儀器進行控制並及時獲得智能儀器運行狀態等資訊所設置的通道，人－機對話通道所配置的設備主要有鍵盤、滑鼠、印表機等。（5）通信介面：用來實現智能儀器與外部系統的聯繫，各種通信介面需符合通信匯流排規定的標準。7.1.2智能儀器的組成

7.2自動測試系統7.2.1自動測試系統概述

自動測試系統(AutomaticTestingSystem)簡稱ATS，有時也稱為自動測試設備(AutomaticTestingEquipment)簡稱ATE。最早用於軍事工業，因為軍事部門中的許多被測對像要求快速、準確、即時、多路，需要海量測量及即時數據處理和控制。美國早在上世紀50年代就開始了自動測試系統的研究和開發工作，花費巨大。隨著電腦技術及數字電子技術的飛速發展，組建自動測試系統的費用大幅下降，因而在民用工業和科研部門漸漸得到廣泛應用，與自動測試技術有關的理論研究工作得到更深入的發展，成為測試領域中一個特別的分支，目前自動測試技術已是電測技術的一個重要發展方向。7.2.2自動測試系統的組成

自動測試系統由硬體和軟體兩大部分組成，硬體包括電腦或微處理器、可程式控制儀器和介面系統，其基本組成原理如圖7.2所示圖7.2自動測試系統組成

微機(或微處理器)是整個系統的核心，控制整個自動測試系統正常運轉，並對測量數據進行一定的處理，如數值計算、變換、數據處理、誤差分析等，最後將測量結果通過印表機、顯示器、磁片磁卡或指示表、數碼顯示等方式輸出。能組成自動測試系統的儀器必須滿足兩個條件：一是要求是可程式控制的儀器，二是要帶有一定的介面。7.2.2自動測試系統的組成

7.2.2自動測試系統的分類

可以從不同角度對自動測試系統進行分類，可以根據系統所用的匯流排和介面分類，如GPIB系統，也可根據被測對象的性質分類，如溫度自動測試系統、位移自動測試系統等。最早的自動測試系統為以任務命名的專用系統，通常是針對某項具體任務設計的，採用比較簡單的定時器或掃描器作為控制器，系統介面也是專用的，通用性比較差。可程式控制測量儀器介面匯流排的標準化把自動測試系統從專用推向通用，主要採用國際標準通用介面匯流排技術如IEEE488，利用可程式控制的儀器和測控電腦(控制器)組成自動測試系統，從而使得自動測試系統的設計、使用和組裝都比較容易。7.3虛擬儀器7.3.1虛擬儀器概述

傳統的信號調理、信號處理、顯示、記錄設備等都以硬體或固化的形式存在，只能由生產廠家來定義和製造，且設計生產複雜，靈活性差，在一些較為複雜和測試參數較多的情況下，使用起來極不方便。虛擬儀器VI（VirtualInstrument）使電腦軟體技術和測試系統緊密地結合成一個有機整體，電腦處於核心地位，傳統儀器的硬體組成部分逐步被具有信號調理與處理功能的擴展電路板或電腦軟體所取代。由於虛擬儀器用軟體來集成傳統儀器的某些硬體乃至整個儀器硬體部分都被電腦軟體代替，某種意義上，在虛擬儀器中軟體就是儀器。虛擬儀器是對傳統儀器概念的重大突破，是儀器領域內的一次革命，代表了現代測試技術和儀器技術的發展方向。7.3.2虛擬儀器的特點

“虛擬儀器”是借助於電腦強大的軟體和硬體支持環境，建立虛擬的測控儀器面板，完成儀器的控制、數據分析和結果輸出，使用滑鼠或鍵盤操作電腦上的前面板，就像操作一臺自己定義、自己設計的專用測控儀器的用戶介面一樣。虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數據採集、處理、分析系統，與傳統儀器相比，虛擬儀器在智能化、處理能力、性價比、可操作性等方面都具有明顯的技術優勢，具體表現為：（1）智能化程度高，處理能力強。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決於儀器軟體的編制水準，用戶完全可以根據實際應用需求，將先進的信號處理演算法、人工智慧技術和專家系統應用於儀器設計與集成，將儀器水準提高到一個更高智能的層次。（2）複用性強，系統費用低。應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬體可構造多種不同功能的測試分析儀器，該測試儀器系統功能更靈活、組建系統費用更低。通過與電腦網絡連接，還可實現虛擬儀器的分佈式共用，更好地發揮儀器的使用價值。(3)可操作性強。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示介面。使用電腦的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易於理解，測量結果可以直接進入資料庫系統或通過網路發送。測量完後還可列印，顯示所需的報表或曲線，使儀器的可操作性大大提高。7.3.3虛擬儀器的構成

虛擬儀器是電腦化的儀器，由電腦、模組化功能硬體和應用軟體三大部分組成，虛擬儀器所用的電腦是通用的電腦，模組化功能硬體指各類功能化儀器模組，依據與電腦通信介面方式不同可分為ＤＡＱ數據採集系統、RS232介面儀器、USB介面儀器、VXI儀器、GPIB匯流排儀器、現場匯流排（Fieldbus）設備以及其他介面的設備等，應用軟體將儀器的模組化功能硬體與各類電腦結合，構成虛擬儀器系統。如圖7.3所示為虛擬溫度測量系統。7.3.3虛擬儀器的構成

圖7.3虛擬溫度測量系統虛擬儀器的硬體組成

組成虛擬儀器系統的功能化模組形式各異，但功能環節基本相同，通常包括信號調理、數據採集、電腦通信幾大部分，如圖7.4所示。圖7.4虛擬儀器系統硬體組成虛擬儀器的軟體組成

虛擬儀器軟體主要包括集成的開發環境、儀器硬體的高級介面、虛擬儀器的用戶介面三個部分。從事測量工作的用戶通常利用虛擬儀器開發環境編寫針對測試任務的虛擬儀器軟體，可以採用各種不同的軟體如VisualC++、VisualBasic等，但這些語言對非專業編程人員來說，還是非常困難的，因此世界各大公司都在致力於開發便於測試工程師使用的虛擬儀器開發環境，其中NI公司LabWindows／CVI和LabVIEW、Agilent公司的VEE、Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS等軟體是基於圖形的用戶介面和開發環境，便於二次開發，其中應用最廣泛的是NI公司的LabVIEW

應用軟體平臺。LabVIEW是一種圖形程式設計語言，全稱為LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，中文名字是實驗室虛擬儀器工程平臺，採用了直觀的前面板與流程圖式的編程技術，

LabVIEW的基本程式單位是VI（VirtualInstrument虛擬儀器），LabVIEW可以通過圖形編程的方法建立一系列的VI，每個VI模組完成指定的功能，最後組成的頂層VI虛擬儀器就成為一個包含所有功能子VI的集合，LabVIEW中的各VI之間的層次調用關係如圖7.6所示；虛擬儀器的軟體組成圖7.6虛擬儀器軟體的層次結構虛擬儀器的軟體組成7.3.3